DE102004029429B4 - Components for high frequency technology - Google Patents
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Abstract
Steuerbares Bauelement für Hochfrequenzanwendungen, dadurch gekennzeichnet, dass es als steuerbares Medium ein Flüssigkristallmaterial enthält, dessen Phasenschiebergüte und/oder dessen Marterialgüte um 10 % oder mehr grösser ist als der entsprechende Wert eines ansonsten identischen Bauelements mit K15 und dadurch, dass das Flüssigkristallmaterial eine Flüssigkristallmischung ist, die eine oder mehrere Verbindungen mit terminaler -NCS Gruppe ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen
CnH2n+1 geradkettige Alkylreste mit n C-Atomen bedeuten,
enthält.
Controllable component for high-frequency applications, characterized in that it contains as controllable medium a liquid crystal material whose phase shift quality and / or Marterialgüte is 10% or more greater than the corresponding value of an otherwise identical device with K15 and in that the liquid crystal material is a liquid crystal mixture containing one or more compounds with terminal -NCS group selected from the group of compounds
C n H 2n + 1 denote straight-chain alkyl radicals with n C atoms,
contains.
Description
Vorliegende ErfindungPresent invention
Die vorliegende Erfindung betrifft Bauelemente für die Hochfrequenztechnik, bzw. für die Höchstfrequenztechnik, insbesondere Mikrowellen-Bauelemente. Ganz besonders betrifft sie steuerbare Bauelemente, bevorzugt Mikrowellen-Bauelemente, die Flüssigkristalle, bevorzugt nematische Flüssigkristalle, als steuerbare Dielektrika verwenden. Besonders bevorzugt sind passiv steuerbare Bauelemente. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung die in diesen Elementen verwendeten Flüssigkristallmaterialien, sowie deren Verwendung in den Elementen, sowie ein Verfahren zur Herstellung der entsprechenden Bauelemente.The present invention relates to components for high frequency technology, and for the microwave technology, in particular microwave components. It particularly relates to controllable components, preferably microwave components, which use liquid crystals, preferably nematic liquid crystals, as controllable dielectrics. Particularly preferred are passively controllable components. In addition, the present invention relates to the liquid crystal materials used in these elements, as well as their use in the elements, as well as a method for producing the corresponding components.
Technisches GebietTechnical area
Analoge, passiv steuerbare Mikrowellenkomponenten können mit Hilfe nichtlinearer Dielektrika realisiert werden. Nichtlineare Dielektrika sind Werkstoffe, deren Dielektrizitätszahl εr stark von der wirksamen elektrischen Feldstärke im Material abhängt. Die interne elektrische Polarisation kann als Funktion eines äußeren elektrischen Feldes bzw. einer angelegten elektrischen Spannung geändert werden.Analogous, passively controllable microwave components can be realized with the help of nonlinear dielectrics. Nonlinear dielectrics are materials whose dielectric constant ε r depends strongly on the effective electric field strength in the material. The internal electrical polarization can be changed as a function of an external electric field or an applied electrical voltage.
Seit längerer Zeit sind werden große Forschungsanstrengungen auf dem Gebiet der Integration passiv steuerbarer Mikrowellenkomponenten mit Ferroelektrika unternommen [Wol1]. In der vorliegenden Anmeldung werden die Literaturstellen, wie vorstehend, in abgekürzter Form angegeben. Die verwendeten Abkürzungen sind in einer separaten Tabelle zusammengestellt.For a long time, great research efforts have been made in the field of integration of passively controllable microwave components with ferroelectrics [Wol1]. In the present application, the references are given in abbreviated form as above. The abbreviations used are listed in a separate table.
Bisher wurde meist die epitaktische Dünnfilmtechnologie auf einkristallinen Substratmaterialien wie MgO oder LaAlO3 verwendet [Cha2], [Gev6], [Sen3], [Var2], [Yor1]. Gegenstand von Forschungsanstrengungen war einerseits die Optimierung von dünnen Schichten, die mittels chemischer (z.B. MOCVD) oder physikalischer (z.B. PLD) Verfahren oder der RF-Sputtertechnik auf hochreine, einkristalline Substrate aufgebracht werden und andererseits die schaltungstechnische Realisierung und Optimierung von steuerbaren Mikrowellenbauelementen wie Varaktoren und Phasenschieber für phasengesteuerte Antennen [Aci1], [Aci2], [Bab1], [Car3], [DeF1], [Erk1], [Kir1], [Koz1], [Liu1], [Rao1], [Rom1], [Rom2], [Sen5], [She1], [Sub3], [Sub4], [Van3], [Var1], [Var3], [Wil1].So far, epitaxial thin-film technology has been used on single-crystalline substrate materials such as MgO or LaAlO 3 [Cha2], [Gev6], [Sen3], [Var2], [Yor1]. Research efforts focused on the optimization of thin films deposited on high-purity, monocrystalline substrates by means of chemical (eg MOCVD) or physical (eg PLD) or RF sputtering techniques, as well as the realization and optimization of controllable microwave devices such as varactors and crystallographic devices Phase shifters for phased-array antennas [Aci1], [Aci2], [Bab1], [Car3], [DeF1], [Erk1], [Kir1], [Koz1], [Liu1], [Rao1], [Rom1], [Rom2 ], [Sen5], [She1], [Sub3], [Sub4], [Van3], [Var1], [Var3], [Wil1].
Mit hochreinen BaxSr1-xTiO3-(BST)-Dünnfilmen auf MgO Substraten wurde in [Car3] bei 31,34 GHz eine Phasenschiebergüte (auch Figure of Merit, „FoM“ genannt) zwischen ca. 30°/dB und 45°/dB bei Raumtemperatur demonstriert. Die FoM ist definiert als der Quotient aus differentieller Phasenverschiebung mit und ohne Steuerspannung bezüglich der Einfügeverluste des Bauelements. Mit koplanaren „Loaded-Line“-Phasenschiebern unter Verwendung von Interdigitalkondensatoren und Plattenkondensatoren mit BST-Dünnfilmen wurden im X-Band (Frequenzbereich um ca. 10 GHz) sogar Phasenschiebergüten von 50°/dB bis 80°/dB erreicht [Aci1], [Aci2].With high-purity Ba x Sr 1-x TiO 3 - (BST) thin films on MgO substrates in [Car3] at 31.34 GHz was a phase shift (also called figure of merit, "FoM") between about 30 ° / dB and 45 ° / dB demonstrated at room temperature. The FoM is defined as the quotient of differential phase shift with and without control voltage with respect to the insertion losses of the device. With coplanar "loaded-line" phase shifters using interdigital capacitors and plate capacitors with BST thin films, even in the X-band (frequency range around 10 GHz) phase shift transients of 50 ° / dB to 80 ° / dB have been achieved [Aci1], [ Aci2].
Andere Ansätze konzentrieren sich primär auf feinkörnige keramische Dickschichten von ferroelektrischen Materialsystemen in Verbindung mit hochreinen Al2O3-Substraten. Hierbei stehen Materialsysteme für Raumtemperatur-Anwendungen wie BaxSr1-xTiO3 und BaZryTi1-yO3 im Vordergrund. In diesem Zusammenhang werden uniplanare Schaltungen mit Bauelementen wie Interdigitalkondensatoren und Koplanarleitungen verwendet. Mit der in [Weil3] vorgestellten Koplanarleitungsanordnung auf einer dünnen ferroelektrischen Dickschicht wurde eine Phasenschiebergüte von 28°/dB bei 24 GHz und ca. 300 V Steuerspannung (Steuerfeldstärke 10V/µm) erzielt. Als wesentlicher Verlustmechanismus, der zur Minderung der Phasenschiebergüte beiträgt, werden die dielektrischen Verluste der ferroelektrischen Schicht genannt.Other approaches focus primarily on fine-grained ceramic thick films of ferroelectric material systems in conjunction with high purity Al 2 O 3 substrates. Here, material systems for room temperature applications such as Ba x Sr 1-x TiO 3 and BaZr y Ti 1-y O 3 are in the foreground. In this context, uniplanar circuits with components such as interdigital capacitors and coplanar lines are used. With the coplanar line arrangement presented in [Weil3] on a thin ferroelectric thick film, a phase shift of 28 ° / dB at 24 GHz and approx. 300 V control voltage (control field strength 10V / μm) was achieved. As a major loss mechanism that contributes to the reduction of the phase shift, the dielectric losses of the ferroelectric layer are called.
Alternativ zu den Ferroelektrika gibt es Publikationen von Bauelementen, die als steuerbares Dielektrikum Flüssigkristalle (kurz LCs von engl. Liquid Crystals) einsetzen. Flüssigkristalle finden primär in optischen Flüssigkristallanzeigen (LCDs von engl. LC Displays) [Fin1], optischen Schaltern oder Amplitudenmodulatoren Anwendung [Chi1]. Hier macht man sich den Effekt der Anisotropie des optischen Brechungsindizes (Doppelbrechung) zu Nutze. Die Anisotropie des Flüssigkristalls betrifft aber auch die dielektrischen Eigenschaften, wobei das Mikrowellenverhalten von nematischen LCs noch wenig erforscht ist. Bislang sind jedoch, im Vergleich zu den optischen Eigenschaften, insbesondere die Anisotropie im Hochfrequenzbereich besonders im Mikrowellenbereich und die entsprechenden Verluste noch weitgehend unbekannt.As an alternative to ferroelectrics, there are publications of components which use liquid crystals (LCs for short: liquid crystals) as a controllable dielectric. Liquid crystals are primarily used in optical liquid crystal displays (LCs) [Fin1], optical switches or amplitude modulators [Chi1]. Here, one makes use of the effect of the anisotropy of the optical refractive indices (birefringence). However, the anisotropy of the liquid crystal also affects the dielectric properties, with the microwave behavior of nematic LCs still under research. So far, however, in comparison to the optical properties, in particular the anisotropy in the high frequency range, especially in the microwave range and the corresponding losses are still largely unknown.
Als typische Mikowellenanwendung wird das Konzept der invertierten Mikrostreifenleitung [Gup2] z.B. in [Dol1], [Mar1] bzw. [Weil1], [Weil2] zusammen mit dem kommerziellen Flüssigkristall
Aufgabe der vorliegenden ErfindungObject of the present invention
Der Vergleich der bekannten Flüssigkristallphasenschieber mit Phasenschiebern auf Basis von festen, ferroelektrischen Dickschichten oder Dünnfilmen zeigt, dass die letzgenannten eine um den Faktor zwei bis sieben geringere Phasenschiebergüte aufweisen und somit für Anwendungen in der Mikrowellentechnik kaum verwendbar sind. Die niedrige Güte wird in [Weil1] in erster Linie auf die vergleichweise geringe dielektrische Steuerbarkeit der flüssigkristallinen Einzelverbindung Pentylcyano-biphenyl (kurz 5CB, in der vorliegenden Anmeldung
Da der LC
Beschreibung des verwendeten StörkörpermessverfahrensDescription of the disturbance measurement method used
Als Resonator für die Störkörpermessungen wird ein Zylinderresonator gewählt. Der Aufbau besteht aus drei Teilen, einem Hohlzylinder und je einem Deckel und Boden, die den Zylinder oben und unten abschließen. Als Material ist Messing und die Innenseite der drei Teile wurde versilbert und poliert, um die Wandverluste des Resonators möglichst gering zu halten und somit eine hohe Güte zu erzielen. Die Boden- und Deckelplatte sind mit je 4 Schrauben mit der Hohlzylinderwand verbunden.As a resonator for the Störkörpermessungen a cylinder resonator is selected. The structure consists of three parts, a hollow cylinder and a lid and bottom, which complete the cylinder top and bottom. As a material is brass and the inside of the three parts was silvered and polished to keep the wall losses of the resonator as low as possible and thus to achieve a high quality. The bottom and top plates are connected with 4 screws each with the hollow cylinder wall.
Da die dielektrischen Materialparameter der zu untersuchenden Messproben im GHz - Bereich bestimmt werden sollen, wurden folgende Innenabmessungen für den Resonator gewählt:
- Radius α ≈ 13mm
- Höhe h ≈ 20mm
- Radius α ≈ 13mm
- Height h ≈ 20mm
Die Ein- und Auskopplung des Resonators erfolgt an zwei gegenüberliegenden, senkrecht stehenden Koppelschleifen, die mit Hilfe einer Bohrung mittig durch die Zylinderwand angebracht sind. Die Enden der Koppelschleifen wurden je an einem Innenleiter einer 3,5mm SMA-Buchse und mit der Zylinderwand verbunden. Mit dieser vertikal stehenden Koppelschleife kann unter anderem der TM010 Mode angeregt werden (siehe Feldlinienbild
Mit diesen Abmessungen ergibt sich für den TM010 Mode eine Resonanzfrequenz von ca. 8,75 GHz für den leeren Resonator. Da dieser Mode der Grundmode ist, ist er bei Messungen dadurch leicht zu identifizieren, daß er der Mode mit der niedrigsten Resonanzfrequenz ist. Den Verlauf der Resonanzkurven der verschiedenen Moden für den leeren Resonator wird im Bereich von 1-26 GHz untersucht. Der TM010 Mode ist die gekennzeichnete erste Resonanz.With these dimensions results for the TM 010 mode, a resonant frequency of about 8.75 GHz for the empty resonator. Since this mode is the fundamental mode, it is easily identifiable in measurements by being the mode with the lowest resonant frequency. The course of the resonance curves of the different modes for the empty resonator is investigated in the range of 1-26 GHz. The TM 010 mode is the marked first resonance.
Flüssigkristalle besitzen eine dielektrische Anisotropie. Aufgrund ihres Aufbaus herrschen unterschiedliche Permittivitäten, abhängig vom Winkel zwischen dem Mikrowellenfeld und dem Direktor der Flüssigkristallmoleküle. Im folgenden wird Parallelität zwischen Mikrowellenfeld und Direktor mit ∥ und Orthogonalität mit ⊥ bezeichnet. Der Direktor von Flüssigkristallmolekülen kann mit elektrischen oder magnetischen Gleichfeldern beeinflusst werden. Zur Orientierung des Direktors wurde hier ein magnetischen Gleichfeld verwendet. Zur Bestimmung der vollständigen Orientierung wurden Messungen mit verschiedenen Feldstärken durchgeführt. Erreichen die Messungen einen Sättigungswert, so kann davon ausgegangen werden, dass eine vollkommene Orientierung der Molekühle vorherrscht. Für einen parallelen Direktor muss aufgrund des Modenbildes des TM010-Modes ein magnetisches Gleichfeld von der Bodenplatte zur Deckelplatte angelegt werden. Für einen senkrechten Direktor wird ein Gleichfeld von einer Wand des Zylindermantels zur gegenüberliegenden Wand angelegt. Dazu wurde eine Spule mit einem Joch verwendet. Durch jeweilige Anordnung der Spule um den Zylinderresonator (horizontal für parallel; vertikal für senkrecht) wurden die eben beschriebenen Direktororientierungen eingestellt.Liquid crystals have a dielectric anisotropy. Due to their structure, there are different permittivities, depending on the angle between the microwave field and the director of the liquid crystal molecules. In the following, parallelism between microwave field and director is denoted by ∥ and orthogonality by ⊥. The director of liquid crystal molecules can be influenced by DC electric or magnetic fields. For the orientation of the director here a direct magnetic field was used. to Determination of full orientation measurements were made with different field strengths. If the measurements reach a saturation value, it can be assumed that a perfect orientation of the molecules prevails. For a parallel director, due to the mode image of the TM 010 mode, a DC magnetic field must be applied from the bottom plate to the top plate. For a vertical director, a dc field is applied from one wall of the cylinder jacket to the opposite wall. For this purpose, a coil with a yoke was used. By arranging the coil around the cylinder resonator (horizontally for parallel, vertically for perpendicular), the just-described director orientations were set.
Zur Bestimmung der komplexen Permittivität ist die Messung der Resonanzkurve erforderlich. Hierzu wird ein Netzwerkanalysator HP 8510B der Firma Hewlett Packard verwendet.To determine the complex permittivity, the measurement of the resonance curve is required. For this purpose, a network analyzer HP 8510B from Hewlett Packard is used.
Der Netzwerkanalysator misst den Transmissionsfaktor an - bis zu 801 - diskreten Stützstellen über den eingestellten Frequenzbereich.
An gegenüberliegenden Seiten werden jeweils 3,5 mm SMA-Buchsen an den Zylinderresonator angeschraubt. Dünne Silberdrähte werden an den Innenleiter einer 3,5 mm SMA-Buchse angebracht und mit der Innenwand des Zylinders verbunden. Damit ist gewährleistet, dass der zu betrachtende TM010-Mode angeregt wird.3.5 mm SMA sockets are screwed to the cylinder resonator on opposite sides. Thin silver wires are attached to the inner conductor of a 3.5 mm SMA socket and connected to the inner wall of the cylinder. This ensures that the TM 010 mode to be considered is excited.
In die Mitte des Resonators wird die Materialprobe eingebracht. Durch diese Materialprobe wird die Resonanzfrequenz gegenüber der Messung ohne Materialprobe leicht verändert. Aus diesen Messungen können die Materialparameter εr und tan δ berechnet werden.In the middle of the resonator, the material sample is introduced. This material sample slightly changes the resonance frequency compared to the measurement without a material sample. From these measurements, the material parameters ε r and tan δ can be calculated.
Zur Messung der Flüssigkristalle wurde ein Teflonröhrchen wird mit dem zu untersuchenden Flüssigkristall gefüllt und in den Zylinderresonator eingebracht. Um die Genauigkeit der Messung zu erhöhen, sollten die Proben möglichst dünn sein, damit das Feld des Resonators nicht zu stark verändert wird und das max. E-Feld als konstant innerhalb der Probe angenommen werden kann. Jedoch können die Teflonröhrchen nicht beliebig dünn gewählt werden. Zum einen begrenzen es mechanische Fertigungstoleranzen, dass die Röhrchen beliebig dünn hergestellt werden können, zum anderen müssen die Röhrchen einen minimalen Durchmesser besitzen, um im Resonator stehen zu bleiben und nicht umzukippen.To measure the liquid crystals, a Teflon tube was filled with the liquid crystal to be examined and introduced into the cylinder resonator. To increase the accuracy of the measurement, the samples should be as thin as possible, so that the field of the resonator is not changed too much and the max. E field can be assumed to be constant within the sample. However, the Teflon tubes can not be chosen arbitrarily thin. On the one hand, it limits mechanical manufacturing tolerances that the tubes can be made arbitrarily thin, on the other hand, the tubes must have a minimum diameter to stay in the resonator and not tip over.
Das verwendete Teflonröhrchen wurde mit den folgenden Abmessungen hergestellt:
- Außenradius b = 3mm;Wand- bzw. Bodenstärke d = 0,2 mm Höhe h = 20 mm = Resonatorhöhe.
- Outside radius b = 3mm, wall or floor thickness d = 0.2 mm height h = 20 mm = resonator height.
Mit diesem Durchmesser der Teflonröhrchen ist gewährleistet, dass sich ein Verhältnis der beiden Radien
Bei jeder Messung wird das Teflonröhrchen senkrecht in den Resonator gestellt.For each measurement, the teflon tube is placed vertically in the resonator.
Hierbei ist darauf zu achten, dass das Probenmaterial im Zentrum des Resonators steht (im Maximum des E-Feldes) und auch nicht durch Erschütterung während der Messung umfällt. Um bei den Messungen die Materialprobe möglichst genau im Zentrum zu platzieren wurde dafür eigens eine Kunststoffschablone angefertigt. Diese Kunststoffschablone hat einen Anschlag, so dass die Schablone nur in einer Position in den Resonator passt. In der Mitte ist eine Bohrung, die so groß ist, dass das Teflonröhrchen genau hindurch passt. Nach dem vorsichtigen herausziehen der Schablone bleibt das Teflonröhchen im Zentrum stehen.It is important to ensure that the sample material is in the center of the resonator (at the maximum of the E field) and does not fall over due to vibration during the measurement. In order to place the material sample as precisely as possible in the center during the measurements, a plastic template was specially made for this purpose. This plastic template has a stop, so that the template fits only in one position in the resonator. In the middle is a hole that is so large that the teflon tube fits right through it. After carefully pulling out the template, the Teflon rouge stops in the center.
Danach wird der Resonator verschlossen.Thereafter, the resonator is closed.
Da bei der Messung nur der TM010-Mode ausgewertet wird, ist es notwendig, den Messbereich so zu legen, dass mindestens die -3 dB-Bandbreite des TM010-Modes gemessen werden kann. Für eine ausreichende Auflösung der Resonanz darf der Frequenzbereich jedoch nicht viel größer als die 5-fache Bandbreite des TM010-Modes gewählt werden.Since only the TM 010 mode is evaluated during the measurement, it is necessary to set the measuring range so that at least the -3 dB bandwidth of the TM 010 -mode can be measured. However, for sufficient resolution of the resonance, the frequency range should not be much larger than 5 times the bandwidth of the TM 010 mode.
Bei der Messung der S-Parameter mit dem Netzwerkanalysator können durch die Zuleitungen und Leitungsübergänge systematische Fehler auftreten. Die Zuleitungen können durch ihre Dämpfung die Messung erheblich beeinflussen. Daher ist vor jeder Messung eine Kalibrierung durchzuführen.When measuring the S-parameters with the network analyzer, systematic errors can occur due to the supply lines and line transitions. The leads can significantly affect the measurement by their attenuation. Therefore, calibration must be performed before each measurement.
Bei einer Kalibriermessung werden anstelle des Prüfobjektes sogenannte Referenzobjekte (Standards), deren Verhalten eindeutig bekannt ist, eingesetzt. Die Referenzobjekte sind drei definierte Bauteile:
- - Kurzschluss,
- - offener Abschluss bzw.
- - definierter Abschluss (50 Ohm).
- - short circuit,
- - open degree or
- - defined degree (50 ohms).
Aus der Differenz zwischen dem gemessenen und bekannten Verhalten dieser Standards errechnet der Netzwerkanalysator die Fehlerkorrekturkoeffizienten.From the difference between the measured and known behavior of these standards, the network analyzer calculates the error correction coefficients.
Des weiteren werden zur Kalibrierung noch Durchgangsmessungen der beiden miteinander verbundenen Zuleitungen vorgenommen.Furthermore, continuity measurements of the two interconnected supply lines are made for calibration.
Eine Kalibrierung ist bei jeder Einstellung eines neuen Frequenzbereiches am Netzwerkanalysator vorzunehmen.Calibration must be performed each time a new frequency range is set on the network analyzer.
Um die Genauigkeit eines Messverfahrens beurteilen zu können, ist es unerlässlich seine Fehler abzuschätzen.To assess the accuracy of a measurement process, it is essential to estimate its errors.
Die Fehler bei Messungen untergliedern sich in zufällige Fehler und systematische Fehler.The errors in measurements are broken down into random errors and systematic errors.
Meist ist die gesuchte Größe nicht direkt messbar, sondern eine Funktion f = f(x, y,..) anderer messbarer Größen x, y,... und wird somit aus diesen berechnet.In most cases, the sought-after variable is not directly measurable, but a function f = f (x, y, ..) of other measurable quantities x, y, ... and is thus calculated from these.
Die gesuchten Größen bei den durchgeführten Messungen sind ε'r und tan δε, die in den analytischen Gleichungen (1) bis (3) von verschiedenen messbaren Größen abhängen.The quantities sought in the measurements carried out are ε ' r and tan δ ε , which depend on different measurable quantities in the analytical equations (1) to (3).
Zur Bestimmung der Materialparameter werden nach [Par] folgende Formeln verwendet:
Zur Extraktion der dielektrischen Parameter der Flüssigkristalle in dem Teflonröhrchen müssen die Formeln zur Extraktion modifiziert werden, wobei die gemessenen Werte (ε', ε") als Effektivwerte interpretiert werden (Gleichung (4)).In order to extract the dielectric parameters of the liquid crystals in the teflon tube, the formulas for extraction must be modified, the measured values (ε ', ε ") being interpreted as effective values (equation (4)).
Aufgrund des sehr geringen Volumens des Bodens der Teflonhülse, wurde dessen Einfluss auf die Berechnungsformeln vernachlässigt. Die Teflonwand und die eingefüllte Flüssigkeit wurde als eine Parallelschaltung zweier axial geschichteter Dielektrika betrachtet.Due to the very small volume of the bottom of the Teflon sleeve, its influence on the calculation formulas was neglected. The Teflon wall and filled liquid was considered to be a parallel connection of two axially layered dielectrics.
Die Aufspaltung zweier parallel geschalteter dielektrischer Materialien, die sich in einem konstanten E-Feld befinden, erfolgt nach folgenden Gleichungen, die aus der Gleichung für die Parallelschaltung von Kondensatoren gewonnen wurden:
Getrennt nach Real- und Imaginärteil ergibt sich aufgelöst nach ε'1 und ε"1:
Wobei ε'2 und ε"2 die Materialkonstanten für das Teflonröhrchen sind (bekannt) und ε'1 und ε"1 die der eingefüllten Flüssigkeit (gesucht).
- A1 ist die Zylindergrundfläche der Flüssigkeitssäule: (b-d)2 · π
- A2 ist die ringförmige Grundfläche der Teflonhülse: (b2 - (b - d)2)· π
- Ages ist die gesamte Grundfläche des Zylinderröhrchens: b2π
- A 1 is the cylinder base area of the liquid column: (bd) 2 · π
- A 2 is the annular base of the Teflon sleeve: (b 2 - (b - d) 2 ) · π
- A ges is the total base area of the cylinder tube: b 2 π
Die Flüssigkeiten wurden bei den Messungen mit einer Glaspipette in das Teflonröhrchen eingefüllt. Wobei immer darauf zu achten ist, dass keine Luftblasen in dem Röhrchen eingeschlossen werden. Ebenfalls ist auf die exakte Zentrierung der Probe im Resonator zu achten.The liquids were filled in the measurements with a glass pipette in the Teflon tube. Always make sure that no air bubbles are trapped in the tube. Also pay attention to the exact centering of the sample in the resonator.
Für die Materialkonstanten für die Teflonhülse wurde der Literaturwert aus [Riz] verwendet:
ε' = 2,05; tan δε = 0.00015The literature value of [Riz] was used for the material constants for the Teflon sleeve:
ε '= 2.05; tan δ ε = 0.00015
Um Abschätzen zu können wie groß die maximalen Fehlergrenzen sind, soll für die weitere Fehlerrechnung der Messergebnisse die Maximalfehlerbetrachtung (vollständiges Differential) angewendet werden. Die Formel für den Worst-Case- bzw. Maximalfehler lautete:
Hierbei ist Δf der Maximalfehler; x, y,... die mit Fehlern behafteten Größen und Δx,Δy,.... die Abweichungen der Größen x, y,....Here, Δf is the maximum error; x, y, ... are the error-prone magnitudes and Δx, Δy, .... are the deviations of the magnitudes x, y, ....
Wendet man diese Formel zur Bestimmung des Maximalfehlers auf Gleichungen (2) und (3) an, so ergeben sich folgende Ausdrücke:
Mit diesen Gleichungen wurden die Maximalfehler der untersuchten Probe bzw. des untersuchten Probenröhrchens mit Füllung bestimmt.These equations were used to determine the maximum errors of the sample or sample tube tested with filling.
Vorliegende ErfindungPresent invention
Die vorleigende Erfindung stellt verbesserte Bauelementen für den Hochfrequenzbereich bereit, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Flüssigkristallmedien eine Phasenschiebergüte und/oder eine Materialgüte aufweisen, die um 10 % oder mehr größer ist als der entsprechende Wert eines ansonsten identischen Bauelements mit der Einzelsubstanz K15 und, dass sie eine oder mehrere Verbindungen mit terminaler -NCS Gruppe ausgewählt aus der Gruppe der Verbindungen der Formeln
CnH2n+1 geradkettige Alkylreste mit n C-Atomen bedeuten, enthalten.The present invention provides improved components for the high-frequency range, characterized in that the liquid-crystal media used have a phase shift quality and / or a material quality that is 10% or more greater than the corresponding value of an otherwise identical component with the individual substance K15 and that one or more compounds containing terminal -NCS group selected from the group of compounds of the formulas
C n H 2n + 1 straight-chain alkyl radicals with n C atoms mean, included.
Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments
Bevorzugte Bauelemente sind Phasenschieber, Varaktoren, Funk- und Radiowellenantenenarrays und anderePreferred devices are phase shifters, varactors, radio and radio wave antenna arrays, and others
In der vorliegenden Anmeldung, bedeutet, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, der Begriff Verbindungen sowohl eine Verbindung, als auch mehrere Verbindungen.In the present application, unless expressly stated otherwise, the term compounds means both one compound and several compounds.
Die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien weisen bevorzugt nematische Phasen von jeweils mindestens von -20°C bis 80°C, bevorzugt von -30°C bis 85°C und ganz besonders bevorzugt von -40°C bis 100°C auf. Insbesonders bevorzugt reicht die Phase bis 120°C oder mehr, bevorzugt bis140°C oder mehr und ganz besonders bevorzugt bis 180°C oder mehr. Hierbei bedeutet der Begriff eine nematische Phase aufweisen einerseits, dass bei tiefen Temperaturen bei der entsprechenden Temperatur keine smektische Phase und keine Kristallisation beobachtet wird und andererseits, dass beim Aufheizen aus der nematischen Phase noch keine Klärung auftritt. Die Untersuchung bei tiefen Temperaturen wird in einem Fließviskosimeter bei der entsprechenden Temperatur durchgeführt sowie durch Lagerung in Testzellen, mit einer Schichtdicke von 5 µm, für mindestens 100 Stunden überprüft. Bei hohen Temperaturen wird der Klärpunkt nach üblichen Methoden in Kapillaren gemessen.The liquid-crystal media used in the components according to the invention preferably have nematic phases of in each case at least from -20.degree. C. to 80.degree. C., preferably from -30.degree. C. to 85.degree. C. and very particularly preferably from -40.degree. C. to 100.degree. More preferably, the phase is up to 120 ° C or more, preferably up to 140 ° C or more, and most preferably up to 180 ° C or more. In this case, the term "nematic phase" means, on the one hand, that no smectic phase and no crystallization are observed at low temperatures at the corresponding temperature and, on the other hand, that clarification does not yet occur on heating from the nematic phase. The investigation at low temperatures is carried out in a flow viscometer at the appropriate temperature and checked by storage in test cells, with a layer thickness of 5 microns, for at least 100 hours. At high temperatures, the clearing point is measured in capillaries by conventional methods.
Ferner sind die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien durch hohe optische Anisotropien im sichtbaren Bereich gekennzeichnet. Die Doppelbrechung bei 589 nm beträgt bevorzugt 0,20 oder mehr, besonders bevorzugt 0,25 oder mehr, besonders bevorzugt 0,30 oder mehr, besonders bevorzugt 0,40 oder mehr und ganz besonders bevorzugt 0,45 oder mehr. Außerdem beträgt die Doppelbrechung bevorzugt 0,80 oder weniger.Furthermore, the liquid-crystal media used in the components according to the invention are characterized by high visual anisotropies in the visible range. The birefringence at 589 nm is preferably 0.20 or more, particularly preferably 0.25 or more, particularly preferably 0.30 or more, particularly preferably 0.40 or more and very particularly preferably 0.45 or more. In addition, the birefringence is preferably 0.80 or less.
Ferner sind die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien durch hohe optische Anisotropien im Mikrowellenbereich gekennzeichnet. Die Doppelbrechung beträgt z.B. bei ca. 8,3 GHz bevorzugt 0,14 oder mehr, besonders bevorzugt 0,15 oder mehr, besonders bevorzugt 0,20 oder mehr, besonders bevorzugt 0,25 oder mehr und ganz besonders bevorzugt 0,30 oder mehr. Außerdem beträgt die Doppelbrechung bevorzugt 0,80 oder weniger.Furthermore, the liquid-crystal media used in the components according to the invention are characterized by high optical anisotropies in the microwave range. The birefringence is e.g. at about 8.3 GHz preferably 0.14 or more, more preferably 0.15 or more, more preferably 0.20 or more, more preferably 0.25 or more, and most preferably 0.30 or more. In addition, the birefringence is preferably 0.80 or less.
Die in den erfindungsgemäßen Bauelementen bevorzugt verwendeten Flüssigkristallmaterialien haben Phasenschiebergüten von 15°/dB oder mehr, bevorzugt von 20°/dB oder mehr, bevorzugt von 30°/dB oder mehr, bevorzugt von 40°/dB oder mehr, bevorzugt von 50°/dB oder mehr, besonders bevorzugt von 80°/dB oder mehr und ganz besonders bevorzugt von 100°/dB oder mehr.The liquid crystal materials preferably used in the components according to the invention have phase shift transmittances of 15 ° / dB or more, preferably 20 ° / dB or more, preferably 30 ° / dB or more, preferably 40 ° / dB or more, preferably 50 ° / dB or more, more preferably 80 ° / dB or more and most preferably 100 ° / dB or more.
Die Materialgüte Δn(µ-wellen)/tan(δ) der in den erfindungsgemäßen Bauelementen bevorzugt verwendeten Flüssigkristallmaterialien beträgt
Bevorzugt weisen die eingestzten Flüssigkristalle eine positive dielektische Anisotropie auf. Diese ist bevorzugt 5 oder größer, bevorzugt 10 oder größer, besonders bevorzugt
In einigen Ausführungsformen könne jedoch auch Flüssigkristalle mit einer negativen dielktrischen Anisotropie vorteilhaft verwendet werden.However, in some embodiments, liquid crystals having a negative dielectric anisotropy may also be used to advantage.
Die eingesetzten Flüssihkristalle sind Einzelsubstanzen oder Mischungen. Bevorzugt weisen sie eine nematische Phase auf.The liquid crystals used are individual substances or mixtures. Preferably, they have a nematic phase.
Die einzelnen Flüssigkristallverbindungen werden im wesentlichen aus den bekannten Verbindungen ausgewählt, oder sind in Analogie zu bekannten Verbindunge erhältlich. The individual liquid-crystal compounds are selected essentially from the known compounds, or are obtainable analogously to known compounds.
Bevorzugt werden Verbindungen oder Mischungen von Verbindungen verwendet, wobei die Verbindungen in der Regel zwei, drei oder vier mehrgliedrige, bevorzugt fünf- oder sechsgliedrige, besonders bevorzugt sechsgleidrige, Ringe enthalten. Die Verbindungen können aber auch mehrgliedrige Ringe und/oder annelierte Ringe, bevorzugt bivalente Naphthaline oder Phenanthrene, enthalten. Besonders bevorzugt sind Verbindungen, die Ringe, bevorzugt 1,4-Phenylenringe enthalten, die optional ein oder mehrfach substituiert sind. Bevorzugt sind die Ringe lateral durch Halogen (bes. F, Cl) aber auch durch Pseudohalogenide substituiert. Die aromatischen Ringe können optional heterocyclische, insbeondere N-heterocyclische Ringe, bevorzugt bivalentes Pyridin oder Pyrimidin, sein. Es können auch Verbindungen mit bivalenten Cyclohexyl-, Dioxan-, Tetrahydropyran, Thiazol, Thiadiazol, Oxazol- uns/oder Oxadiazolringen verwendet werden. In mindesten einer der terminalen Positionen befindet sich zumindest bei einigen Verbindungen die in den verwendeten Mischungen enthalten sind, eine polare Endgruppe, die bevorzugt NCS, CN, SCN, NCO, Halogen, bev. F oder Cl ein Pseudohalogenid, eine partiell oder vollständig fluorierte Alkyl- Alkoxy-, Alkenyl- oder Alkenyloxygruppe, worin auch eine oder mehrere, bevorzugt in der Regel nicht benachbarte, CH2-Gruppen durch O, S und/oder C=O, ersetzt sein können, bevorzugt OCF3, CF3, und auch SF5 oder SO2CF3 bedeuten. Die andere terminale Position kann ebenfalls einen Substituenten aus der zuletzt genannten Gruppe der dielektrisch positiven Substituenten enthalten, sie kann aber eine dielektrisch neutrale Gruppe wie z. B. und bevorzugt Alkyl, Alkenyl, Alkoxy, Alkenyloxy oder Oxaalkyl sein und ist dies auch bevorzugt.Preference is given to using compounds or mixtures of compounds, the compounds generally containing two, three or four multi-membered, preferably five- or six-membered, particularly preferably six-membered, rings. However, the compounds may also contain multi-membered rings and / or annelated rings, preferably bivalent naphthalenes or phenanthrenes. Particular preference is given to compounds which contain rings, preferably 1,4-phenylene rings, which are optionally monosubstituted or polysubstituted. The rings are preferably laterally substituted by halogen (especially F, Cl) but also by pseudohalides. The aromatic rings may optionally be heterocyclic, in particular N-heterocyclic rings, preferably bivalent pyridine or pyrimidine. It is also possible to use compounds with bivalent cyclohexyl, dioxane, tetrahydropyran, thiazole, thiadiazole, oxazole or oxadiazole rings. In at least one of the terminal positions is at least some compounds contained in the mixtures used, a polar end group, preferably NCS, CN, SCN, NCO, halogen, bev. F or Cl is a pseudohalide, a partially or completely fluorinated alkyl alkoxy, alkenyl or alkenyloxy group, wherein one or more, preferably usually not adjacent, CH 2 groups by O, S and / or C = O, replaced preferably OCF 3 , CF 3 , and also mean SF 5 or SO 2 CF 3 . The other terminal position may also contain a substituent from the last-mentioned group of the dielectrically positive substituents, but it may be a dielectrically neutral group such. And preferably alkyl, alkenyl, alkoxy, alkenyloxy or oxaalkyl.
Werden flüssigkristalline Mischungen verwendet, so enthalten diese in der Regel auch dielektrisch neutrale Verbindungen, bei denen beide Enden des Moleküls bevorzugt, unabhängig voneinader, eine der zuletzt genannten dielektrisch neutralen Gruppen tragen.If liquid-crystalline mixtures are used, these usually also contain dielectrically neutral compounds in which both ends of the molecule preferably, independently of one another, carry one of the last-mentioned dielectrically neutral groups.
Die in der Regel bivalenten Ringe der Moleküle können direkt miteinander verbunden sein. Sie könne jedoch auch duch Brücken verknüpft sein. Bevorzugt enthalten die Verbindungen keine eine oder zwei, besonders bevorzugt keine oder eine Brückengruppe. Bevorzugt enthalten sie eine Brücke mit einer geraden Anzahl an Brückenatomen. Bevorzugt -C=CH-, -C=C-, -CO-O-, -O-CO-, -CF2O- oder -O-CF2-.The usually bivalent rings of the molecules can be directly connected to each other. However, it could also be linked by bridges. The compounds preferably contain no one or two, more preferably none or one bridging group. Preferably, they contain a bridge with an even number of bridge atoms. Preferably -C = CH-, -C = C-, -CO-O-, -O-CO-, -CF 2 O- or -O-CF 2 -.
Der Ausdruck „Alkyl“ umfaßt vorzugsweise geradkettige und verzweigte Alkylgruppen mit 1 bis 7 Kohlenstoffatomen, insbesondere die geradkettigen Gruppen Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl und Heptyl. Gruppen mit 2 bis 5 Kohlenstoffatomen sind im allgemeinen bevorzugt.The term "alkyl" preferably includes straight-chain and branched alkyl groups having 1 to 7 carbon atoms, in particular the straight-chain groups methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl and heptyl. Groups of 2 to 5 carbon atoms are generally preferred.
Der Ausdruck „Alkenyl“ umfaßt vorzugsweise geradkettige und verzweigte Alkenylgruppen mit
Der Ausdruck „Fluoralkyl“ umfaßt vorzugsweise geradkettige Gruppen mit endständigem Fluor, d.h. Fluormethyl, 2-Fluorethyl, 3-Fluorpropyl, 4-Fluorbutyl, 5-Fluorpentyl, 6-Fluorhexyl und 7-Fluorheptyl. Andere Positionen des Fluors sind jedoch nicht ausgeschlossen.The term "fluoroalkyl" preferably includes straight-chain fluoro-end-capped groups, i. Fluoromethyl, 2-fluoroethyl, 3-fluoropropyl, 4-fluorobutyl, 5-fluoropentyl, 6-fluorohexyl and 7-fluoroheptyl. Other positions of the fluorine are not excluded.
Der Ausdruck „Oxaalkyl“, bzw. Alkoxyalkyl umfaßt vorzugsweise geradkettige Reste der Formel CnH2n+1-O-(CH2)m worin n und m jeweils unabhängig voneinander 1 bis 6 bedeuten. Vorzugsweise ist n 1 und m 1 bis 6.The term "oxaalkyl" or alkoxyalkyl preferably comprises straight-chain radicals of the formula C n H 2n + 1 -O- (CH 2 ) m in which n and m are each independently of one another from 1 to 6. Preferably, n is 1 and m is 1 to 6.
Verbindungen mir einer Vinyl-Endgruppe und Verbindungen mit einer Methyl-Endgruppe haben eine geringe Rotationsviskosität.Vinyl-terminated compounds and compounds having a methyl end group have low rotational viscosity.
In der vorliegenden Anmeldung bedeuten die Begriffe dielektrisch positive Verbindungen solche Verbindungen mit einem Δε > 1,5, dielektrisch neutrale Verbindungen solche mit -1,5 ≤ Δε ≤ 1,5 und dielektrisch negative Verbindungen solche mit Δε < -1,5. Hierbei wird die dielektrische Anisotropie der Verbindungen bestimmt indem 10 % der Verbindungen in einem flüssigkristallinen Host gelöst werden und von dieser Mischung die Kapazität in mindestens jeweils einer Testzelle mit ca. 20 µm Schichtdicke mit homeotroper und mit homogener Oberflächenorientierung bei 1 kHz bestimmt wird. Die Meßspannung beträgt typischerweise 0,5 V bis 1,0 V, jedoch stets weniger als die kapazitive Schwelle der jeweiligen Flüssigkristallmischung.In the present application, the terms dielectrically positive compounds mean those compounds with a Δε> 1.5, dielectrically neutral compounds those with -1.5 ≦ Δε ≦ 1.5 and dielectrically negative compounds those with Δε <-1.5. Here, the dielectric anisotropy of the compounds is determined by 10% of the compounds are dissolved in a liquid crystalline host and the capacity of at least one test cell in each case with about 20 micron layer thickness is determined with homeotropic and homogeneous surface orientation at 1 kHz. The measuring voltage is typically 0.5 V to 1.0 V, but always less than the capacitive threshold of the respective liquid-crystal mixture.
Als Wirtsmischung für die Bestimmung der anwendungsrelevanten physikalischen Parameter wird ZLI-4792, von von Merck KGaA, Deutschland, verwendet. Als Ausnahme wird bei der Bestimmung der dielektrischen Anisotropie von dielektrisch negativen Verbindungen ZLI-2857, ebenfalls von Merck KGaA, Deutschland, verwendet. Aus der Änderung der Eigenschaften, z.B. der Dielektrizitätskonstanten, der Wirtsmischung nach Zugabe der zu untersuchenden Verbindung und Extrapolation auf 100 % der eingesetzten Verbindung werden die Werte für die jeweilige zu untersuchende Verbindung erhalten. As a host mixture for the determination of the application-relevant physical parameters, ZLI-4792, from Merck KGaA, Germany, is used. As an exception, the determination of the dielectric anisotropy of dielectrically negative compounds ZLI-2857, also by Merck KGaA, Germany, is used. From the change in the properties, for example the dielectric constant, the host mixture after addition of the compound to be investigated and extrapolation to 100% of the compound used, the values for the respective compound to be investigated are obtained.
Die eingesetzte Konzentration der zu untersuchenden Verbindung beträgt 10 %. Ist die Löslichkeit der zu untersuchenden Verbindung hierzu nicht ausreichend wird ausnahmsweise die eingesetzte Konzentration solange halbiert, also auf 5 %, 2,5% usw. verringert, bis die Löslichkeitsgrenze unterschritten ist.The concentration of the compound to be tested is 10%. If the solubility of the compound to be tested is insufficient for this purpose, exceptionally, the concentration used is halved, ie reduced to 5%, 2.5%, etc., until the solubility limit has fallen below.
In der vorliegenden Anmeldung bedeuten Hochfrequenztechnik und Höchstfrequenztechnik Anwendungen mit Frequenzen im Bereich von 1 MHz bis 1 THz, bevorzugt von .1 GHz bis 500 GHz, bevorzugt 2 GHz bis 300 GHz, insbesondere bevorzugt von ca. 5 GHz bis 150 GHz.In the present application, high-frequency technology and ultra-high frequency technology mean applications with frequencies in the range of 1 MHz to 1 THz, preferably from .1 GHz to 500 GHz, preferably 2 GHz to 300 GHz, particularly preferably from about 5 GHz to 150 GHz.
Alle Konzentrationen in dieser Anmeldung sind, soweit nicht explizit anders vermerkt, in Massenprozent angegeben und beziehen sich auf die entsprechende Gesamtmischung. Alle physikalischen Eigenschaften werden und wurden nach „Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals“, Status Nov. 1997, Merck KGaA, Deutschland bestimmt und gelten für eine Temperatur von 20°C, sofern nicht explizit anders angegeben. Δn wird bei 589 nm und Δε bei 1 kHz bestimmt.All concentrations in this application, unless explicitly stated otherwise, are given in percentage by weight and refer to the corresponding total mixture. All physical properties are and have been determined according to "Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals", Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germany and are valid for a temperature of 20 ° C, unless explicitly stated otherwise. Δn is determined at 589 nm and Δε at 1 kHz.
Bei den Flüssigkristallmedien mit negativer dielektrischer Anisotropie wurde die Schwellenspannung als kapazitive Schwellung Vo in Zellen mit durch Lecithin homeotrop orientierter Flüssigkristallschicht bestimmt.In the case of the liquid-crystal media with negative dielectric anisotropy, the threshold voltage was determined as capacitive swelling Vo in cells having a lecithin homeotropically oriented liquid-crystal layer.
Die in den erfindungsgemäßen Bauelementen verwendeten Flüssigkristallmedien können bei Bedarf auch weitere Zusatzstoffe und gegebenenfalls auch chirale Dotierstoffe in den üblichen Mengen enthalten. Die eingesetzte Menge dieser Zusatzstoffe beträgt insgesamt 0 % bis 10 % bezogen auf die Menge der gesamten Mischung bevorzugt 0,1 % bis 6 %. Die Konzentrationen der einzelnen eingesetzten Verbindungen betragen jeweils bevorzugt 0,1 % bis 3 %. Die Konzentration dieser und ähnlicher Zusatzstoffe wird bei der Angabe der Konzentrationen sowie der Konzentrationsbereiche der Flüssigkristallverbindungen in den Flüssigkristallmedien nicht berücksichtigt.If necessary, the liquid-crystal media used in the components according to the invention may also contain further additives and optionally also chiral dopants in the customary amounts. The amount of these additives used is in total 0% to 10%, based on the amount of the total mixture, preferably 0.1% to 6%. The concentrations of the individual compounds used are each preferably 0.1% to 3%. The concentration of these and similar additives is not taken into account in the indication of the concentrations and the concentration ranges of the liquid crystal compounds in the liquid-crystal media.
Die Zusammensetzungen bestehen aus mehreren Verbindungen, bevorzugt aus 3 bis 30, besonders bevorzugt aus 6 bis 20 und ganz besonders bevorzugt aus 10 bis 16 Verbindungen, die auf herkömmliche Weise gemischt werden. In der Regel wird die gewünschte Menge der in geringerer Menge verwendeten Komponenten in den Komponenten gelöst, die den Hauptbestandteil ausmachen, zweckmäßigerweise bei erhöhter Temperatur. Liegt die gewählte Temperatur über dem Klärpunkt des Hauptbestandteils, so ist die Vervollständigung des Lösungsvorgangs besonders leicht zu beobachten. Es ist jedoch auch möglich, die Flüssigkristallmischungen auf anderen üblichen Wegen, z.B. unter Verwendung von Vormischungen oder aus einem sogenannten „multi bottle“ Systemen herzustellen.The compositions consist of several compounds, preferably from 3 to 30, more preferably from 6 to 20 and most preferably from 10 to 16 compounds which are mixed in a conventional manner. In general, the desired amount of the components used in a lesser amount is dissolved in the components making up the main component, advantageously at elevated temperature. If the selected temperature is above the clearing point of the main constituent, the completion of the dissolution process is particularly easy to observe. However, it is also possible to prepare the liquid-crystal mixtures in other conventional ways, e.g. using premixes or from a so-called "multi-bottle" system.
Die nachstehenden Beispiele dienen zur Veranschaulichung der Erfindung, ohne sie zu beschränken. In den Beispielen sind der Schmelzpunkt T(C,N), der Übergang von der smektischen (S) zur nematischen (N) Phase T(S,N) und Klärpunkt T(N,I) einer Flüssigkristallsubstanz in Grad Celsius angegeben. Die verschiedenen smektischen Phasen werden durch entsprechende Suffixe gekennzeichnet.The following examples serve to illustrate the invention without limiting it. In the examples the melting point T (C, N), the transition from the smectic (S) to the nematic (N) phase T (S, N) and clearing point T (N, I) of a liquid crystal substance in degrees Celsius are indicated. The different smectic phases are identified by suffixes.
Die Prozentangaben sind, soweit nicht explizit anders gekennzeichnet, vor- und nachstehend Massenprozente und die physikalischen Eigenschaften sind die Werte bei 20°C, sofern nicht explizit anders angegeben.Unless otherwise indicated, the percentages are by mass and percent by mass and the physical properties are those at 20 ° C unless explicitly stated otherwise.
Alle angegebenen Werte für Temperaturen in dieser Anmeldung sind °C und alle Temperaturdifferenzen entsprechend Differenzgrad, sofern nicht explizit anders angegeben.All values given for temperatures in this application are ° C and all temperature differences are differential degrees unless explicitly stated otherwise.
In der vorliegenden Anmeldung und in den folgenden Beispielen sind die Strukturen der Flüssigkristallverbindungen durch Abkürzungen, auch Acronyme genannt, angegeben, wobei die Transformation in chemische Formeln gemäß folgender Tabellen A und B erfolgt. Alle Reste CnH2n+1 und CmH2m+1 sind geradkettige Alkylreste mit n bzw. m C-Atomen. Die Codierung gemäß Tabelle B versteht sich von selbst. In Tabelle A ist nur das Acronym für den Grundkörper angegeben. Im Einzelfall folgt getrennt vom Acronym für den Grundkörper mit einem Strich ein Code für die Substituenten R1, R2, L1 , L2 und L3:
BeispieleExamples
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern, ohne sie zu begrenzen. Vor- und nachstehend bedeuten Prozentangaben Gewichtsprozent. Alle Temperaturen sind in Grad Celsius angegeben. Fp. bedeutet Schmelzpunkt, Kp. Klärpunkt. Ferner bedeuten K = kristalliner Zustand, N = nematische Phase, S = smektische Phase und I = isotrope Phase. Die Angaben zwischen diesen Symbolen stellen die Übergangstemperaturen dar. Δn bedeutet optische Anisotropie (589 nm, 20°C).The following examples are intended to illustrate the invention without limiting it. Above and below, percentages are by weight. All temperatures are in degrees Celsius. Mp means melting point, bp. Clearing point. Furthermore, K = crystalline state, N = nematic phase, S = smectic phase and I = isotropic phase. The data between these symbols represent the transition temperatures. Δn means optical anisotropy (589 nm, 20 ° C).
Vergleichsbeispiel 1Comparative Example 1
K15 wurde bei 27,5°C bezüglich seienr Mikrowelleneigenschaften untersucht, wie im Abschnitt Störkörpermessverfahren beschrieben.K15 was tested at 27.5 ° C for microwave properties as described in the Bluff Measurement Procedure section.
Dielektrische Eigenschaften des Flüssigkristalls wurde bei Ausrichtung des Direktors des LCs mit einem magnetischen Feld bis zu 0,15 T jeweils parallel und senkrecht zum Mikrowellen-Meßfeld bestimmt. Die Daten sind in der Tabelle nach Beispiel 5 angegeben.Dielectric properties of the liquid crystal were determined by aligning the director of the LC with a magnetic field up to 0.15 T parallel and perpendicular to the microwave measurement field. The data are given in the table according to Example 5.
Die bestimmte Materialgüte betrug 2,5.The material grade was 2.5.
Beispiel 1 example 1
Eine binäre Mischung aus 10% PVPU-
Die bestimmte Materialgüte betrug 3,7.The material grade was 3.7.
Beispiel 2Example 2
Eine binäre Mischung aus 20% PPTU-
Die bestimmte Materialgüte betrug 5,1.The material grade was 5.1.
Beispiel 3, Mischung M 1Example 3,
Beispiel 4, Mischung M 2Example 4, M 2 mixture
Beispiel 5, Mischung M 3Example 5, M 3 mixture
Die Mischungen der Beispiele 3 bis 5 (M1 bis M3) wurden bei einer Temperatur von 27,5°C untersucht. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.The mixtures of Examples 3 to 5 (M1 to M3) were investigated at a temperature of 27.5 ° C. The results are summarized in the following table.
Tabelle der ErgebnisseTable of results
Es ist deutlich erkennbar, dass die hohe optische Anisotropie der neuen LC-Mischungen, im Gegensatz zu K15, erfolgreich auch auf den unteren Mikrowellenbereich übertragen werden konnten. Dabei übertreffen die Anisotropiewerte Δnopt der Mischungen
Diese Mischung ist geeignet, die Güte von LC-basierten Mikrowellenphasenschiebern bis weit über 50°/dB hinaus zu erhöhen, womit diese zu den technologisch aufwändigen Schaltungen auf Basis hochreiner Dünnfilme auf Monokristallinen Substraten konkurrenzfähig wären und die Ergebnisse von Phasenschiebern mit ferroelektrischen Dickschichten sogar deutlich übertreffen. Zudem liegt das εr mittel in der gleichen Größenordnung wie bei Standard - Substratmaterialien für Mikrowellenschaltungen [Rog1], womit aufwändige Anpassungen von Leitergeometrien wie z.B. bei den ferroelektrischen Dickschichten (εr ≈ 200...450) entfallen.This mixture is capable of increasing the quality of LC-based microwave phase shifters far beyond 50 ° / dB, making them competitive with the technologically complex circuits based on high-purity thin films on monocrystalline substrates and even significantly surpassing the results of phase shifts with ferroelectric thick films , In addition, the ε r medium is of the same order of magnitude as in standard substrate materials for microwave circuits [Rog1], which eliminates complex adjustments of conductor geometries such as in the ferroelectric thick films (ε r ≈ 200 ... 450).
Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel 2Example 6 and Comparative Example 2
Es wurde ein Phasenschieber in invertierter Mikrostreifentechnologe mit der Flüssigkristallmischung
Tabelle der Literaturstellen:Table of references:
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